（机械设计及理论专业论文）螺旋伞齿轮精锻成形研究.pdf

摘要 螺旋伞齿轮广泛应用于汽车、拖拉机、坦克等行走机械的驱动桥上，需求量很大，而目 前仍采用传统的切削工艺进行加工，材料利用率低，产品质量欠佳，难以满足工业快速发展 对齿轮高性能的要求。因此，为提高生产效率，改善产品质量，开发一种螺旋伞齿轮成形的 新工艺是非常必要的。本文在螺旋伞齿轮开式模锻成形工艺的基础上，对螺旋伞齿轮精锻成 形新工艺、无飞边精锻模具设计及成形工艺参数等问题进行了研究。 新型精锻模具采用浮动凹模结构，生产的锻件无飞边，提高了材料的利用率。采用主应 力和上限联合法及变形功法分别建立求解螺旋伞齿轮开式模锻和无飞边模锻锻压成形力的数 学模型，并求得了锻压成形力。 利用u g 软件对模具工作部分进行三维造型，并运用数值模拟软件d e f o r m - 3 d 对螺旋 伞齿轮无飞边精锻成形过程进行仿真。研究了成形过程中金属的流动规律及速度场、应变场、 应力场、温度场在成形不同阶段的分布情况，并得到了载荷一行程曲线，其成形载荷与理论 计算结果非常吻合。对成形工艺参数进行了优化，并利用工艺实验对其进行了验证。实验结 果表明，在始锻温度为11 5 0 。c ，压力机平均工作速度为2 0 0 m m s ，润滑条件良好时，螺旋伞 齿轮成形良好，齿形饱满，齿根部分过度平滑，无塌陷、折叠等缺陷，使用效果很好。模具 结构紧凑，工作稳定可靠，使用寿命长。 本文所用的锻模设计、计算机辅助设计、数值模拟等相关方法具有一定的通用性，可为 其他齿轮类零件的锻造成形分析、模具设计提供参考。 关键词：螺旋伞齿轮精密模锻锻压成形力数值模拟工艺实验 a b s t r a c t s p i r a lb e v e lg e a ri si ng r e a td e m a n dw h i c ha p p l ye x t e n s i v e l yt ot h ed r i v ea x l eo fv e h i c l es u c h a sa u t o m o b i l e ，t r a c t o r ，t a n ka n ds oo n a tp r e s e n t ，t r a d i t i o n a lc u t t i n gt e c h n o l o g yi ss t i l la d o p t e di n t h ep r o d u c t i o no fs p i r a lb e v e lg e a r w i t hl o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n db a dq u a l i t yo f p r o d u c t ，t h i s t e c h n o l o g y i sh a r dt om e e tt h e r a p i d l yg r o w i n gi n d u s t r yr e q u i r e so ft h eg e a rw i t hh i g h p e r f o r m a n c e s oi ti se x t r e m e l ye s s e n t i a lt od e v e l o pan e wf o r m i n gt e c h n o l o g yf o rs p i r a lb e v e l g e a rw i t ht h ep u r p o s eo fi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f t h ep r o d u c t b a s eo no p e n d i e f o 晤n gp r o c e s so fs p i r a lb e v e lg e a r ，t h i sp a p e rc o n d u c tr e s e a r c ho nn e wf o r m i n gt e c h n o l o g y ，c l o s e d f o r g i n gd i ed e s i g na n dp r o c e s sp a r a m e t e r s f l o a t i n gc a v i t yd i em e c h a n i s mw a sa d o p t e do nt h en e wf o r g i n gd i e ，t h ep r o d u c tw i t h o u tb u r r s w a sa c h i e v e d ，t h em a t e r i a lu t i l i z a t i o nw a si n c r e a s e d d e f o r m i n gw o r km e t h o d ，s l a pm e t h o da n d u p p e rb o u n d a r ym e t h o dw e r ec o m b i n e dt oe s t a b l i s h am a t h e m a t i c a lm o d e lt o c o m p u t et h e d e f o r m i n gf o r c eo fo p e n - d i ef o r g i n gp r o c e s sa n dc l o s e df o r g i n gp r o c e s so fs p i r a lb e v e lg e a r ，t h e v a l u eo f d e f o r m i n gf o r c ew a so b t a i n e d u gm a k e st h ed i e3 dm o u l d i n ga n dd e f o r m - 3 ds i m u l a t e st h ep r o c e s so np r e c i s i o nf o r g i n g o fs p i r a lb e v e lg e a r t h em e t a lf l o w i n gl a ww i t hd i s t r i b u t i o no f v e l o c i t yf i e l d ，s t r a i nf i e l d ，s t r e s s f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da td i f f e r e n ts t a g e so f f o r m i n gw e r ed i s c u s s e d ，t h el o a d - s t r o k ec u r v ew a s o b t a i n e d ，t h ed e f o r m i n gf o r c ei st a l l yw e l lw i n lt h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n t h ep r o c e s sp a r a m e t e r s w a so p t i m i z e da n dv a l i d a t e db y p r o c e s se x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o w s t h a tw h e nt h ei n i t i a lf o r g i n g t e m p e r a t u r ei s1 15 0 ，t h ew o r k i n gs p e e do fp r e s si s2 0 0 m m sa n d t h ec o n d i t i o no fl u b r i c a t i o ni s g o o d ，t h ef o 蟛n go fs p i r a lb e v e lg e a r 而mp l u m pt o o t ha n ds m o o t hr o o tb u tw i t h o u tc o l l a p s ea n d f o l dw h o s ep e r f o r m a n c em e e tt h ed e m a n d 1 1 1 ed i es t r u c t u r ei sc o m p a c t ，o p e r a t i o ni sr e l i a b l ea n d s e r v i c el i f ei sl o n g t h em e t h o do f f o r g i n gd i ed e s i g n ，c o m p u t e ra i dd e s i g na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r eu n i v e r s a l a n dp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ef o r g i n gp r o c e s sa n a l y s i sa n dd i ed e s i g no fv a r i o u sg e a r s k e y w o r d s ：s p i r a lb e v e lg e a r p r e c i s i o nf o 哂n g d e f o r m i n gf o r c e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r o c e s se x p e r i m e n t 文中主要符号注释 ，0 ，z 圆柱坐标分量 么当量线膨胀系数 玩上模速度 虻齿顶高系数 石高变位系数 妒。齿宽系数 。，勺分流半径 彬塑性变形功率 吃剪切变形功率 童，南，之，兀，死，力应变速度分量 金属加工余量 五，u o 西：速度分量 4 大端齿形面积 背锥齿顶圆半径 齿形螺旋角 i j l l ，h 2 ，h 3 ，h 4 ，h 5 ，7 1 6 各变形区高度 h 齿形大端全齿高 7 l f 齿形大端齿根高 “，轴向位移 彤塑性变形功 享等效应变 s 齿形大端分度圆齿厚 z 螺旋伞齿轮齿数 m 齿形大端模数 c 顶隙系数 t 切向变位系数 b 齿宽 矽总塑性成形功率 摩擦系数 言等效应变速率 职摩擦功率 口分度圆压力角 ，分度圆半径 4 叫、端齿形面积 咋背锥齿根圆半径 吼流动应力 万螺旋伞齿轮节锥角 吃齿形大端齿项高 兄刀盘半径 “，径向位移 职摩擦功 ”，u 0 铭：位移分量 1 1 精密成形技术概述 第1 章综述 金属塑性加工是金属的主要加工方法之一，已在航空航天、汽车制造、电机电器、仪器 仪表、日用五金等工业领域得到了广泛的应用。长期以来，金属塑性加工在国民经济建设中 一直占有十分重要的地位，从工业生产到人们的日常生活都离不开金属塑性加工制品。进入 2 0 世纪以来，随着工业水平的不断提高，节能、高效、环保已经成为当今工业发展的主题， 人们对工业产品的要求也越来越高，这极大地促进了金属塑性加工，特别是金属精密成形技 术的发展【。 1 1 1 精密成形技术的内涵 精密成形技术( p r e c i s i o np l a s t i cf o r m e dt e c h n i q u e ) 指的是成形工件仅需要少许加工或无 需加工就可以达到成品零件要求的金属成形方法，它又被称为净成形技术( n e ts h a p e t e c h n i q u e ) 或近净成形技术( n e a rn e ts h a p et e c h n i q u e ) 。精密成形技术是在传统塑性成形技 术的基础上吸收了自动化技术、信息技术、新能源开发、新材料研制等多方面技术的研究成 果而发展起来的，它的出现完成了金属塑性成形向高精度、高质量、高效率生产方向的转变， 适应了工业高速发展的要求，扩大了金属塑性成形的应用范围【2 】。精密成形技术的实现主要 有两种方式：一种方式是引进新的成形设备，通过开发新工艺及研制相应的新型模具通过新 型设备来实现；另一种方式是直接使用现有的成形设备，只通过改进成形工艺及设计新型模 具来实现。目前，用于该项技术的工艺主要包括精密冲压、精密模锻、粉末冶金锻造、液态 模锻、精密热处理、精确连接等【1 】【2 】【3 】【4 】。 1 1 2 精密成形技术的特点 近年来，精密成形技术随着人们对金属零件精度要求的不断提高而得到了越来越广泛的 应用，与传统的金属塑性加工相比，精密成形技术所加工的制件在形状精度、尺寸精度及金 属内部组织等方面具有显著的优越性，主要包括以下几个方面【5 】： 1 ) 对于利用传统的塑性成形方法很难加工的制件可通过该技术顺利获得，这就使结构复 杂工件及新产品的加工成为可能。 2 ) 成形制件的精度高，可直接作为成品零件使用或作为接下来的精确成形加工的毛坯。 3 ) 能够使制件内部的金属纤维组织合理分布，提高工件的机械性能。 4 ) 与传统的成形方法相比，有效地减少了原材料和能源的消耗，提高了生产效率，从而 降低了生产成本，缩短了产品的开发周期：另外，精密成形技术工厂劳动条件好，对环境的 污染小，是一种绿色生产技术。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 齿轮精锻技术及其发展 齿轮是一种应用广泛的传递动力、变换运动的速度及方向的机械基础零件，在机械行业 尤其是汽车、船舶、航空航天、机床制造业等领域对齿轮的使用量非常大，按外形可分为圆 柱齿轮、圆锥齿轮( 或伞齿轮) 、齿条及蜗轮蜗杆等。传统的齿轮生产主要采用车齿、铣齿、 滚齿、插齿、剃齿等切削加工工艺来获得齿形，而利用这些加工方法会导致大量原材料被浪 费( 材料的平均使用率只有4 5 5 0 ) ，生产效率低，另外，由于切削过程中会使金属纤维 被切断和外露，造成齿轮齿面耐磨性、强度等机械性能及抗腐蚀性能差。齿轮精锻技术可以 克服切削工艺的不足，它作为一种极具开发前景的新工艺、新技术日渐受到人们的关注，已 然成为了金属塑性成形领域的重要研究课题【6 】【。 1 2 1 齿轮精锻技术的含义 所谓齿轮精锻技术指的是利用精密锻造技术使金属毛坯发生塑性变形而获得符合要求的 齿轮，它属于精密塑性成形的范畴，所得到的齿轮直接或齿面经少量精加工后方可作为成品 齿轮使用。与传统的齿轮加工技术相比，齿轮精锻技术具有生产率高，材料和能源消耗低， 产品机械性能好、使用寿命长等符合精密成形技术的优点【8 】。 1 2 2 齿轮精锻技术的发展 长期以来，世界各地的研究人员、学者通过理论推导、实验研究等方法对齿轮精锻成形 的变形规律分析、模具设计与工艺、质量与精度控制等方面的研究作出了不懈的努力，并取 得了丰硕可喜的成果。 1 变性规律分析 d o h a m a n nf 将数值逼近法及主应力法应用于分析齿轮冷锻成形各个阶段的应力及流动 情况【9 】。英国曼彻斯特大学科技学院的c h i t k a r a nr 等利用上限法分析直齿圆柱齿轮的锻造成 形过程，随后对圆柱齿轮增量锻造过程的应力应变规律做了数值仿真分析，得到了齿轮锻件 应力场、应变场分布规律【1 0 】。1 9 9 2 年k n o c r r m 等人利用二维有限元模拟软件d e f o r m 对铝合 金锻造、锥齿轮锻造等多种锻造成形过程进行了仿真，对成形模具进行了应力分析，根据得 到的模拟结果成功预测出了可能出现的成形缺陷，并对各工艺参数进行了优化【1 1 1 。1 9 9 6 年c h o i jc 及c h o i y 等运用上限法对直齿圆柱齿轮的锻造成形过程进行了分析，得到了成形过程的动 可容速度场，对齿轮齿数、模数、径向变位系数、摩擦力等因素对齿轮锻造成形过程的影响 进行了大量分析计算，得到了与实验结果相一致的结论【1 2 j 。 在国内，1 9 9 0 年黄良驹等利用网格法对圆柱齿轮坯闭式精锻时的金属流动规律进行了分 析，并对每一变形阶段的成形力进行了理论分析【1 3 1 。燕山大学的李洪波等运用上限法分析了 直齿圆柱齿轮的精锻成形过程，求得了成形过程的变形力及坯料充填模膛时边界形状的变化 规律【1 4 1 。1 9 9 7 年南昌大学的江雄心和林治平利用上限法对直齿圆柱齿轮精锻过程进行了分析， 并对其成形过程进行了数值模拟，得到了最优的毛坯外形尺寸及精锻过程的载荷一行程曲线， 这一结果与随后获得的实验结果相吻合【l5 】【1 6 1 。山东大学的张清萍等提出了闭式模锻及分流法 螺旋伞齿轮精锻成形研究 3 。 相结合的方法成形直齿圆柱齿轮，并运用有限元模拟软件进行数值模拟，得到了最优化的成 形方案【1 7 】。谭险峰等在浮动凹模原理的基础上，运用三维成形模拟软件d e f o r m 3 d 对直齿 圆柱齿轮精锻过程中的连皮位置进行了优化【l 引。 2 模具设计与工艺研究 2 0 世纪5 0 年代，齿轮主要靠切削加工获得，产量很低，当时的德国伯威尔轻金属公司 就尝试利用闭式模锻的方法加工齿轮，并申请了该项技术的专利。1 9 8 4 年日本研究员k o n d o k 等提出利用分流法精锻直齿圆柱齿轮，使用这种方法可使成形力显著下降且使模膛充填良 好，随后又论述了该方法的适用范围，完善了齿轮精锻分流技术【1 9 】【2 0 1 。英国伯明翰大学的 t u n c e rc 和d e a nta 等开发了多种具有浮动凹模的齿轮精锻模对空心坯料进行加工，论述了 模具结构，并指出了采用闭式模锻精锻齿轮时的工艺要点，采用该方法减少了能源的消耗， 提高了材料的利用率，减少了后续加工。d r e c u nvm 与d e a nt a 等设计了一套设计直齿或斜 齿圆柱齿轮精锻模的参数化软件【勿。 自1 9 9 1 年以来，林治平等在通过自制模具进行冷、热精锻工艺试验的基础上提出了齿轮 精锻的多种工艺方案，并设计出了通过浮动凹模和上模环型飞边槽保证齿模充满的齿轮精锻 专用组合模【2 3 1 。田福祥发明了直齿圆柱齿轮热精锻与冷推挤相结合的成形工艺，先将毛坯经 热精锻成形，然后在室温下对齿面进行推挤精整，此工艺在锻造时不需要像冷锻那么高的成 形力，而经室温下精整后齿面可达到很高的形状及尺寸精度，齿轮成形后可直接作为成品零 件使用，无需再进行机加工【2 4 1 。 3 质量与精度控制 锻件设计完成后，为了保证将来生产的锻件满足锻件图对形状尺寸精度和力学性能的要 求，必须对锻件的成形过程进行严格控制，质量与精度控制对齿轮精锻技术的发展和完善具 有很大影响。 a b d e l r a h m a naro 等通过试验分析了锻前的加热方式及锻后的冷却方式对精锻齿轮各 方面性能的影响，指出为了获得理想的齿面及齿轮强度，使坯料在加热过程中尽量避免与空 气接触及运用保护气氛是非常重要的，试验结果表明，精锻齿轮的轮齿强度较机加工齿轮可 提高3 0 ，且齿轮的强度不依赖于精锻变形程度的大小【2 卯。西安交通大学的刘华等通过数值 模拟及工艺试验对精锻齿轮精度的影响因素进行研究，指出模具弹性膨胀和齿轮锻件出模后 的弹性恢复是影响齿轮精度的2 个主要因素【2 6 。 1 3 螺旋伞齿轮精锻技术概述 螺旋伞齿轮是对于齿面节线( 沿齿长方向齿面与节锥面的交线) 为曲线的锥齿轮的总称， 它又被称为曲齿锥齿轮，简称螺伞齿轮。螺旋伞齿轮按其齿面节线、齿高、齿形、螺旋角、 轴线相互位置以及用途等方面进行分类可分为许多种：其中按齿面节线的曲线形式可分为圆 弧齿锥齿轮、延伸外摆线齿锥齿轮、准渐开线齿锥齿轮，圆弧齿锥齿轮应用的最为广泛；按 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 齿高，即按在沿齿长方向上大端和小端的齿高是否一致，可分为等高齿锥齿轮、渐缩齿锥齿 轮、双重收缩齿锥齿轮；按轴线相互位置分类，可分为两轴线垂直相交的锥齿轮、两轴线相 交但不垂直的锥齿轮、轴线偏置的锥齿轮【z 刀。 与直齿锥齿轮相比，螺旋伞齿轮具有很多优点，主要包括以下2 个方面【27 】： 1 ) 螺旋伞齿轮的齿形为螺旋曲齿，且齿槽较深，故其重迭系数较大，在传动过程中至少 有两个齿同时接触，与直齿圆锥齿轮相比，它传动平稳，齿面磨损均匀，承载能力大，传动 过程中的冲击振动小。 2 ) 可实现较大传动比的齿轮传动，传动效率较高，传动过程中能量消耗少，特别适合在 大功率传动中使用。 由于螺旋伞齿轮这些不可代替的优势，它已作为一个重要零件被广泛应用在各种机械设 备的传动系统中，尤其是在汽车、拖拉机、坦克、飞机、轮船等行走机械的驱动桥上应用最 多。由于螺旋伞齿轮的需求量很大，而其目前的生产方法仍然是采用传统的机械；扫n - r - 的方法， 这不仅导致大量金属材料、能源及劳动力的浪费，而且由于材料去除加工势必会导致金属流 线的切断，进而使螺旋伞齿轮的齿面强度等力学性能及抗腐蚀能力等大大降低，难以满足工 业快速发展对齿轮高性能的要求。因此，寻找一种螺旋伞齿轮成形的新工艺是必要的，而齿 轮精锻技术可以很好的克服切削加工的各种缺陷，它的出现为螺旋伞齿轮的生产开辟了一条 新路。与经切削加工成形的齿轮相比，精锻螺旋伞齿轮具有如下优点【2 6 】【2 8 】： 1 ) 由于精锻成形可以最大限度地利用材料的纤维方向性，获得更加合理的金属内部组织 分布，而且精锻过程中由于受到变形力的作用材料内部大量的微观缺陷被压合，从而在齿轮 的抗疲劳强度、冲击韧性、啮合噪声和齿面耐磨能力等方面，精锻螺旋伞齿轮都要优于切削 加工成形的齿轮。 2 ) 精锻成形螺旋伞齿轮的金属流线不像经切削加工的齿轮那样将流线末端暴露在外面， 而是沿齿廓分布，故精锻齿轮的抗腐蚀能力明显提高。 3 ) 螺旋伞齿轮精锻技术可将坯料通过精锻模具经一次打击成形，无需或仅需少量加工即 可作为零件使用，故生产效率高，成本低，有利于实现批量生产，经济效果好。生产实践证 明，使用螺旋伞齿轮精锻技术可比铣齿机生产齿轮提高生产效率9 0 以上，降低成本2 5 以 上。 4 ) 螺旋伞齿轮由于高径比较小且形状相对复杂，在进行锻后热处理时齿廓形状极易发生 变形。由于精锻螺旋伞齿轮具有均匀合理的金属流线分布，在热处理时，其变形较切削成形 齿轮可降低8 0 。 1 3 1 螺旋伞齿轮精锻技术的发展 1 6 7 4 年，丹麦天文学家罗默用相互包络的摆线作为齿轮齿廓得到了具有共轭齿面的齿轮， 首次将共轭齿面应用于齿轮传动。1 8 2 0 年法国的几何学家t o l i v i e r 对空间啮合理论进行了深入 研究，提出了利用包络曲面法来求解共轭齿面，并同时提出了曲齿锥齿轮的概念【2 9 】【圳。由于 螺旋伞齿轮的齿形是一种螺旋运动轨迹，因当时没有实现此种运动的机床，因此，螺旋伞齿 螺旋伞齿轮精锻成形研究 5 轮的制造一直没有变成现实，直到1 9 1 0 年，德国学者首次提出采用铣刀盘加工螺旋伞齿轮齿 形，并通过自制的原型机成功加工出了齿轮齿形。1 9 1 3 年美国的j a m e sg l e a s o n 开发出了第一 台螺旋伞齿轮端面切削机床，这为后来的螺旋伞齿轮生产提供了有利的条件【3 1 1 。2 0 世纪8 0 年 代，美国的d a n a 公司和b a t t e l l e 研究所共同提出了螺旋伞齿轮的精锻成形技术【3 2 1 。9 0 年代，日 本利用该工艺成功锻出了钢质的小锥角螺旋伞齿轮【3 3 1 。国内的上海汽车齿轮制造厂及青岛精 锻齿轮厂通过对螺旋伞齿轮精锻技术的研究，成功加工出高精度的螺旋伞齿轮【3 钔。田福祥对 螺旋伞齿轮的精锻工艺及模具设计进行了深入研究，并取得了突破性进展，提出了“一火两 锻 工艺，只需将坯料进行一次加热即可完成对锻件的粗锻和精锻，获得的锻件无飞边，精 度高，效果很好。 1 3 2 螺旋伞齿轮精锻技术的发展方向 多年来，众多国内外的学者致力于螺旋伞齿轮精锻技术的研究，已经取得了丰硕的成果。 为了顺应工业技术的飞速发展，螺旋伞齿轮精锻技术需进一步的研究和改善，今后的主要发 展方向有以下几个方面： 1 ) 将螺旋伞齿轮的设计研究重点放在高阶运动误差曲线的设计【3 5 1 ，如何通过螺旋伞齿轮 的设计有效地提高传动的平稳性等方面。 2 ) 充分利用计算机模拟仿真技术，研究螺旋伞齿轮精锻成形过程中的金属流动规律及应 力应变分布规律，以此来优化精锻成形工艺，指导模具设计。 3 ) 实现螺旋伞齿轮精锻从工艺制定到精锻模具设计、优化、制造再到齿轮加工的c a d c a e c a m 的一体化生产，从而缩短生产周期，提高经济效益。 1 4 金属塑性成形数值模拟技术的发展 所谓数值模拟是通过一组数学方程及定解条件将实际过程抽象成理论模型，在计算机上 求解该模型在不同条件下的数值解，并由此得到在该种条件下所发生的实际过程【3 6 1 。在塑性 成形过程的数值模拟中最常用的方法为有限元法，主要包括弹塑性有限元法和刚( 粘) 塑性 有限元法。有限元法的概念最早是由c l o u g h 教授于2 0 世纪6 0 年代初提出来的，当时主要 将其应用于小塑性应变问题的模拟。1 9 6 7 年m a r c a l 和k i n g 等提出了弹塑性有限元法的概 念。1 9 7 0 年h i b b i t 等提出了建立在有限元变形理论基础上的大变形有限元列式【3 6 】 3 7 1 3 8 】。 此后，弹塑性有限元理论在众多国内外学者的研究下得到不断地丰富和完善。由于金属板 料成形问题中既包括弹性变形又包括塑性变形，但相对弹性变形来说塑性变形几乎可以忽 略，这正符合弹塑性有限元法分析金属变形问题的要求，对板料成形过程中的应力应变问 题、残余应力应变问题、卸载问题等进行确切的分析。而体积成形问题与板料成形问题考 虑的问题重点恰好相反，在成形过程中，弹性变形较塑性变形可以忽略，因此在1 9 7 3 年 美国的c h l e e 和s k o b a y a s h i 提出了用于分析这类问题的基于变分原理的刚塑性有限元 法。在对变形抗力和金属流动对变形速率较敏感的材料进行分析时，可采用由刚塑性有限 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 元法扩展得到的刚粘塑性有限元法，它适用于热态体积成形，可以对成形过程中的变形及 传热进行热力耦合分析。 随着计算机技术及有限元技术的迅速发展，出现了一大批基于有限元理论的用于金属 塑性成形数值模拟的商业软件。2 0 世纪9 0 年代初，二维四边形网格自动生成算法逐步走 向成熟，相继出现了如美国s c i e n t i f i cf o r m i n gt e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n 开发的 d e f o r m 2 d 、d e f o r mp c 等，法国的t r a n s v a l o rs a 开发的f o r g e 2 、p c f o r g e 等， 荷兰t e c h n i c a lp r o j e c tc o o r d i n a t o r 开发的m s c s u p e r f o r g e 等分析二维问题的数值模拟软 件，并在实际工业生产和理论研究中得到了广泛的应用。随后，又出现了如f o r g e 3 、 f o r g e 3p c 、d e f o r m 3 d 等用于三维体积成形问题分析的商业软件。这些软件的出现， 对数值模拟技术在金属塑性成形研究领域的应用提供了强有力的支撑【3 9 1 。近年来，国内的 许多学者通过有限元数值模拟的方法对复杂零件的精锻成形进行了深入研究。重庆大学的 胡锋涛等对氧枪喷头的复合挤压成形过程进行了数值模拟，并提出了成形的新方案，优化 了工艺参数m 】。宁夏大学的马国华等通过对汽车差速器锥齿轮冷精锻成形进行数值模拟， 分析了齿轮成形过程中的金属流动情况，为提高齿轮的成形精度、优化模具设计提供了理 论依据【4 。 近年来，金属塑性成形的数值模拟技术得到了突飞猛进的发展，不仅应用于理论研究， 而且在实际的工业生产中得到了广泛的应用，由于各方面条件的限制，数值模拟在精确性及 稳定性等方面仍存在一些不足，因此，一些新的课题有待进一步探索和研究，主要包括以下 两个方面【4 2 】【4 3 】【删： 1 ) 在保证数值模拟精度的前提下提高其模拟效率，加强数值模拟数据与c a d 数据接口 的通用性，使产品的设计加工向c a d c a e c a m 的一体化方向发展。 2 ) 扩展数值模拟软件的分析范围，在对成形过程中应力应变场、速度场等场量分析的基 础上，增强对金属内部微观缺陷等问题的分析能力。 1 5 课题的目的、意义和主要研究内容 1 5 1 课题的目的、意义 螺旋伞齿轮作为一种基础零件在机械行业应用广泛，需求量很大，但目前仍采用传统的 切削工艺进行加工，材料利用率低，产品质量欠佳。针对这种现状，本课题的研究目的为开 发螺旋伞齿轮新型精锻成形工艺，并通过有限元模拟技术对螺旋伞齿轮精锻成形过程进行仿 真，确定最优化的成形工艺参数，以提高产品质量，降低生产成本，促进齿轮成形技术的发 展。 1 5 2 课题的主要研究内容 1 ) 对典型的锻模结构进行分析，总结锻模的结构特点及设计规律。 2 ) 针对螺旋伞齿轮开式模锻存在的问题，开发螺旋伞齿轮精锻成形新工艺，并进行无飞 螺旋伞齿轮精锻成形研究 ， 边精锻模具设计。 3 ) 采用主应力和上限联合法及变形功法分别建立求解螺旋伞齿轮开式模锻和无飞边模锻 锻压成形力的数学模型。 4 ) 对螺旋伞齿轮及无飞边精锻模具主要工作部分进行三维建模。 5 ) 对螺旋伞齿轮无飞边精锻成形过程进行数值模拟，研究成形过程的金属流动规律，分 析成形过程中速度场、应变场、应力场、温度场的分布情况及载荷一行程关系，得到成形所 需锻压变形力，并与理论分析结果进行比较。 6 ) 通过数值模拟技术，研究各工艺参数对螺旋伞齿轮精锻成形过程的影响，确定最优的 工艺参数。 参考文献 1c 郝滨海金属材料精密压力成形技术 m 】北京：化学工业出版社，2 0 0 4 2 李敏贤，闵乃燕等精密成形技术发展前沿叨中国机械工程，2 0 0 0 ( 2 ) ：1 8 3 一1 8 6 3 夏巨谌，丁永祥，胡国安闭式模锻【m 】北京：机械工业出版社，1 9 9 3 4s o n e k s ，s n e t u r kb i m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo fm e t a l m a t r i xv i as q u e e z ec a s t i n g sm e t h o d m p r o co f4 t hy e a r e n g i n e e r i n gp r o j o c t ，1 9 8 9 5 胡亚民，郑光泽，车路长精锻体积成形技术现状及其发展【j 】重庆工学院学报，2 0 0 1 ( 2 ) ：6 5 - 6 9 6 陈家靖，李文哲典型机械零部件润滑理论与实践 m 】北京：中国石化出版社，1 9 9 4 7 陈丰，魏宝丽，夏显明直齿圆柱齿轮精锻成形工艺和模具设计的研究现状 j 】科技信息，2 0 0 9 ( 6 ) ：2 1 2 2 8 王向东，张宝红，张治民直齿圆柱齿轮精锻技术的发展现状与趋势 j 】锻压装备与制造技术，2 0 0 6 ( 2 ) ：2 1 - 2 4 9d o h m a r mf ，t r a u d to ，m e t a lf l o wa n dt o o ls t r e s si nc o l df o r g i n go f g e a rc o m p o n e n t j a d v a n c e dt e c h n o l o g yo f p l a s t i c i t y ， 2 n di c t p ，s t u t t g a r t ，1 9 8 7 1 0c h i t k a r anr n e a r - - n e ts h a p e f o r g i n go fs p u r g e a r f o r m s ：a n a n a l y s i sa n ds o m ee x p e r i m e n t sr e s u l t s a n d a n a l y s i s j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f m e c h a n i c a ls c i e n c e ，1 9 9 6 ( 8 - 9 ) ：8 9 1 - 9 1 6 11k n o e r r m l i j a n da l t a n t a p p l i c a t i o no ft h e2 df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t i o no fv a r i o u sf o r m i n g p r o c e s s j j o u r n a lo f m a t e r i a l sp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，1 9 9 2 ( i - 2 ) ：3 1 1 2c h o ijc as t u d yo nt h ef o r g i n go f s p u rg e a r s j i n t j m e s h s c i ，1 9 9 6 ( 1 2 ) ：1 3 3 3 - 1 3 4 7 1 3 黄良驹，杨慎华等齿轮坯闭式精锻金属成形规律的研究阴农业机械学报，1 9 9 0 ( 4 ) ：1 0 6 - 1 1 2 。 1 4 李洪波，高新等圆柱直齿轮精锻成形的u b e t 数值模拟阴金属成形工艺，1 9 9 6 ( 3 ) ：2 1 - 2 3 1 5 江雄心，林治平带毂直齿圆柱齿轮精锻的计算机模拟 j 金属成形工艺，1 9 9 7 ( 2 ) ：1 2 1 5 1 6 江雄心，林治平带毂直齿圆柱齿轮精锻成形的上限分析 j 】塑性工程学报，1 9 9 8 ( 1 ) ：8 - 1 4 1 7 张清萍，赵国群等直齿圆柱齿轮精锻成形工艺及三维有限元模拟 j 】塑性工程学报，2 0 0 3 ( 1 ) ：1 3 1 5 1 8 谭险峰，刘霞等圆柱直齿轮精锻成形工艺仿真及试验嗍塑性工程学报，2 0 1 0 ( 1 ) ：2 2 - 2 6 1 9k o n d ok d e v e l o p m e n to f n e w p r e c i s i o nc o l dd i ef o r g i n gp r o c e s s j a d v a n c e dt e c h n o l o g yo f p l a s t i c i t y ，i s ti c t p ，t o k y o ， 1 9 8 4 ：7 0 1 7 0 9 2 0k o n d ok ，o h g a , k i n v e s t i g a t i o ni n t of o r m i n gp r o c e s s e so f v a r i o u ss p u rg c a r 明a d v a n c e dt e c h n o l o g yo f p l a s t i c i t y ，2 n di c t p ， s t u t t g a r t ，l9 8 7 ：1 0 8 9 2 1t u n c e rca n dd e a na d i ed e s i g na l t e r n a t i v e sf o rp r e c i s i o nf o r g i n gh o l l o wi nc o m p l e t e l yc l o s e dc a v i t i e s j p r o c2 5 t hi n t m a c h i n et o o ld e s i g nr e sc o n l19 8 5 ( 1 ) ：4 7 9 - 4 8 3 2 2d r e c u nvma n dd e a na ap a r a m e t r i cc a d p r o g r a mf o rd i es e t sf o rp r e c i s i o nf o r g i n gs p u rg e a r s j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f m a c h i n et o o lm a n u f a c t u r i n g ，1 9 9 1 ( 2 ) 2 3 林治平，谭险峰，闰洪直齿圆柱齿轮精锻的生产性实验 j 锻压技术，1 9 9 9 ( 3 ) ：3 - 5 8 -青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 田福样，林化青直齿圆柱齿轮热精锻一冷推挤精密成形研究 j 锻压机械，1 9 9 7 ( 6 ) ：2 6 - 2 8 2 5a b d e l - r a h m a nar o1 1 1 eq u a l i t yo f h o tf o r g e ds p u rg e a rf o r m s ，m e c h a n i c a la n dm e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e s e j h a tjm a t ht o l l s m a n u f a c t u r e 1 9 8 1 ( 2 ) ：1 0 9 - 1 4 1 2 6 刘华，席庆坡，霍艳军等圆柱齿轮冷精锻数值模拟及其轮齿修形规律【j 】西安交通大学学报，2 0 0 4 ( 11 ) ：l1 8 6 - 11 9 0 2 7 北京齿轮厂螺旋锥齿轮 m 】北京：科学出版社，1 9 7 4 2 8 张猛，赵玉民等螺旋伞齿轮塑性成形试验研究 j 】锻压技术，1 9 9 9 ( 1 ) ：3 - 5 2 9 周凯红，李淑螺旋锥齿轮技术的历史、现状和展望 j 】桂林航天工业高等专科学校学报，2 0 0 8 ( 3 ) ：缸8 3 0 李特文齿轮啮合原理 m 】上海：上海科学技术出版社，1 9 8 4 3 1h e r m a n nj s t d t f e l d g i e a s o nb e v e lg e a rt e c h n o l o g y r o c h e s t e r ，n e wy o r k ，u s a ：t h eg i e a s o nw o r k s ，1 9 9 4 3 2r i c h a r dd o u g l a s ，d a v dk u h l m a n n g u i d e l i n e sf o rp r e c i s i o nh o tf o r g i n gw i t ha p p l i c a t i o n s j j o u r n a lo f m a t e r i a l sp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，9 8 3 3 大泽佳郎日本锻造行业的现状 j 】锻压技术，1 9 9 5 ( 1 ) ：3 - 5 3 4 皇涛，陈拂晓螺旋伞齿轮精锻工艺研究现状与发展趋势 j 】热加工工艺，2 0 0 9 ( 1 3 ) ：1 l o 1 1 4 3 5 樊红卫，谷霁红螺旋锥齿轮设计与制造的研究现状与展望叨机械制造，2 0 0 9 ( 8 ) ：4 7 - 4 9 3 6 李尚建金属塑性成形过程模拟【m 北京：机械工业出版社，1 9 9 5 3 7 谢水生，王祖唐金属塑性成形工步的有限元数值模拟【m 】北京：冶金工业出版社，1 9 9 7 3 8 赵健，陈拂晓等金属体积成形模拟技术叨热加工工艺，2 0 0 1 ( 3 ) ：4 9 5 2 3 9 吕炎锻模设计手册 m 】北京：机械工业出版社，2 0 0 6 4 0 胡锋涛，周杰，周亮氧枪喷头热挤压成形工艺研究【j 】热加工工艺，2 0 0 8 ( 1 3 ) ：6 3 - 6 5 4 1 马国华，郭学东差速器锥齿轮冷模锻数值模拟及成形性能研究 j 】锻压技术，2 0 0 8 ( 4 ) ：1 3 3 1 3 6 4 2 崔丽华，王宝雨，胡正寰数值模拟技术在塑性成形中的应用与发展 j 】，机械制造，2 0 0 5 ( 1 0 ) ：1 7 - 1 8 4 3 翟福宝，林新波有限元模拟在金属塑性成形中的应用 i 】锻压机械，2 0 0 5 ( 3 ) ：4 6 - 4 7 “董湘怀，郑莹金属塑性成形计算机模拟的若干进展【j 金属成形工艺，2 0 0 0 ( 1 ) ：1 4 第2 章典型锻模结构分析 2 1 锻造的用途及类别 锻造作为金属塑性成形加工的一个重要组成部分，是工业生产的支柱之一，它是利用金 属材料的可塑性，在一定的温度下，使放入模膛内的坯料金属在工具或模具的压力所用下产 生变形，从而获得形状、尺寸及金属内部组织性能符合设计要求的制件【l 】。 2 1 1 锻造的用途 1 生产精确毛坯及零件 采用精密锻造技术加工的零件能够达到较高的精度，可直接作为成品零件使用或作为接 下来精确加工的毛坯。这不仅提高了材料的利用率，缩短了生产周期，而且便于实现连续化 生产。 2 改善金属组织性能 金属坯料在锻造的过程中其内部的气孔、缩孔、缩松等缺陷被压合；另外，通过锻造可 使坯料内部的金属流线分布更加合理，即金属流线沿零件轮廓分布、无外露，且其方向与零 件承受的正应力方向平行、或与切应力方向垂直，从而金属的强度、韧性等力学性能得到很 好的改善，抗腐蚀能力得到提高【2 】【3 1 。 2 1 2 锻造的分类 锻造的分类方法很多，按成形温度、变形速度、使用工具和模具安装位置、工具和工件 的相对运动、所用成形